NO117622B - - Google Patents

Description

Varmeutveksler for varmtvannsberedning i forbindelse med kraftvarmeverk.

I de senere år er varme- og varmt-vannsanlegg blitt forandret slik at ønske-målene for varmtvannsberedernes funksjon

i visse tilfeller er andre enn tidligere. Det

begynner å bli mere og mere almindelig

med store kjelesentraler bestemt for flere

hus og kraftvarmeverk, hvor kondensato-renes kjølevann anvendes til oppvarmning

av boliger og for varmtvannstilberedning.

Varmtvannsanleggene som er tilsluttet til

disse storsentraler er anordnet i et stort

antall for hver kjelesentral og bestemt

hvert enkelt for et forholdsvis lite antall

leiligheter. De er plasert i undersentraler

i nærheten av de leiligheter som de skal

forsyne med varmt vann.

Ved slike anlegg, hvor hvert hus har

sin kjelesentral, er varmtvannsanleggene

plasert i nærheten av kjelene. Man hadde

tidligere vanligvis en kjele bestemt båre til

tilberedning av varmt forbruksvann og

særskilte kjeler for varmeanlegget. Dette

berodde på at det sirkulerende radiator-vann som regel skulle ha en lavere temperatur enn det kjelevann som ble anvendt

for tilberedning av varmt vann. Nu for

tiden shuntkobles så godt som alle anleg-gets kjeler, slik at de kan gå med høy vann-temperatur uavhengig av den temperatur

som vannet til varmeelementene har.

Den her skisserte utvikling har med-ført at kravet til akkumulatorens kapasitet

er mindre, ettersom det praktisk talt alltid

foreligger kjele-effekt i overflod, takket

være shuntkoblingen av kjelene. Ved de

store anlegg hvor varmtvannsanleggene

står langt fra kjelesentralen, ønsker man

en stor temperaturforskjell mellom inn- og

utgående kjelevann i varmtvannsberederen for å få små vannmengder, hvilket med-fører små ledningsdimensjoner og minsket varmetap -fra ledningene. Forholdet er nemlig det at varmtvannsbehovet veksler meget raskt, særlig hvis varmtvannsberederen er bestemt for et lite antall leiligheter, hvor tappingen av et eneste bad, som bare krever noen minutter, forårsaker en betydelig endring av varmtvannsfor-bruket.

Hittil er som regel varmtvannsbehovet blitt dekket av en såkalt gjennomstrøm-ningsbereder, bestående av en akkumulator for det sirkulerende kjelevann og et batteri

for oppvarmning av forbruksvannet. Det

sirkulerende kjelevann er avgasset og således ikke korroderende, hvorfor akkumulatoren kan utføres av platejern. Batteriet derimot gjennomstrømmes stadig av nytt og syrerikt ledningsvann, og bør av denne grunn utføres av korrosjonsbestandig

materiale, f. eks. kobber. I disse såkalte

gjennomstrømningsberedere er batteriet anordnet slik at det av batteriet nedkjølte akkumulatorvann blandes med varmere vann i akkumulatoren, hvilket medfører at akkumulatorvolumet må gjøres stort og at returvannet forlater akkumulatoren med høy temperatur.

Foreliggende oppfinnelse går ut på en varmeutveksler, fortrinsvis i forbindelse med en akkumulator for å oppnå en såkalt gjennomstrømningsbereder. Oppfin-nelsen muliggjør herunder anvendelsen av en varmeutveksler, også kalt batteri, med en stor utvendig motstand, sammenlignet med tidligere batterier for samme formål, hvilken motstand kan nyttes til et betydelig høyere varmegjennomgangstall en det som tidligere var mulig ved eldre beredertyper. Forutsetningen er at motstanden utnyttes så rasjonelt som tilfellet er når trykkfallet pr. lengdeenhet er det samme for begge medier.

Forsøk er nemlig blitt utført, som tyder på at det hersker en viss sammenheng mellom varmeoverføring og trykktap. Denne sammenheng kan forklares ved hjelp av den teori, at væskepartikler som kommer i berøring med veggen der får hastigheten null og avgir varme. Den kraft som med-går til påny å gi partiklene væskens mid-delhastighet når de gjeninntrer i kanalen, er motstanden mot veggen eller, kan settes lik motstanden mot veggen, eller med andre ord, trykkfallet i kanalen. Det samme trykkfall per lengdeenhet for begge medier oppnås i varmeutvekslere som arbeider etter motstrømsprinsippet, når strømnings-veien for det ene medium er betydelig lengere enn strømningsveien for det annet medium. En slik utførelse av varmeutveksleren medfører at akkumulatoren kan dimensjoneres etter andre prinsipper enn tidligere anvendt, slik at den får meget små dimensjoner, særlig når den er bestemt for et stort antall badeværelser. Varmtvannsbehovet under en badeperiode består av et antall meget kortvarige høye topper. Dette beror på at når en tappekran over et badekar åpnes, krever man at det skal fylles raskt og vanligvis fylles bade-karet på ca. 3 minutter. Da badetiden kan sies å omfatte tiden mellom kl. 19 og 22, vil varmtvannsbehovet variere med tiden innen meget vide grenser. Da stor motstand og stort temperaturfall i batteriet medfø-rer små vannmengder, rekker akkumulatoren å lades opp påny før en ny tapping. Man behøver således ikke å dimensjonere akkumulatoren for hele belaéthingsperio-den, men bare for den høyest tenkbare belastningstopp.

I samsvar med de forannevnte betrakt-ninger er varmeutveksleren ifølge oppfin-nelsen karakterisert ved spiralkanaler anordnet i en stabel i liten avstand fra hverandre, mellom hvilke der er anordnet i det vesentligste radielle gjennomstrøm-ningskanaler som forbinder et fordelingskammer som omgir stablene, og et i midten av stablene værende samlingskammer hvorunder rørtilkoblinger er anordnet i varmeutveksleren for å oppnå innbyrdes motstrøm av mediene.

En utførelsesform for varmeutveksleren med akkumulator er vist på fig. 1 i

vertikalsnitt. Fig. 2 viser i større målestokk et delsnitt etter linjen II—II på fig 1 og fig. 3 i enda større målestokk et delsnitt etter linjen III—III på fig. 2.

En annen utførelsesform som i frem-stillingshénseende har en del fordeler frem-for den ovenfor nevnte, fremgår av fig. 4 —6. Fig. 4 viser et snitt etter linjen IV—IV på fig. 5, som viser et vertikalt snitt langs varmeutveksleren eller batteriets sentral-akse. Fig 6 er et sideriss av en detalj. Det på fig. 5 viste batteri består av seriekoblete grupper 2a og 2b.

Akkumulatoren utgjøres hovedsakelig av en beholder 1, som via et innløp 4 og et utløp 6 er tilsluttet til en ledning (ikke vist) for sirkulerende kjelevann. Oventil i denne beholder er der anordnet en varmeutveksler, et såkalt gjennorhstrømnings-batteri 2, innenfor en avskjermning av traktlignende form. Denne hår således en etter batteriets ytre utformet, hensikts-messig sylindrisk utvidelse 5, som omgir batteriet og herunder danner en rørformet forlengelse 3, heretter kalt sugerør, som når på det nærmeste ned til beholderens bunn. Gjennom en tilkobling 4 står sylin-deren 5 i forbindelse med beholderens inn-løp. Gjennom den således anordnete avskjermning ledes det nedkjølte kjelevann ned til beholderens bunn, hvor det uten innblanding av annet vann i akkumulatoren stiger opp og skyver varmt vann inn i batteriet. Det bør nevnes at avskjermningen 5, 3 i og for seg er kjent. Det nye forutsettes å bestå blant annet i batteriets, eller mere generelt uttrykt, varmeutvekslerens utførelse og kombina-sjonen med akkumulatoren.

Batteriets 2 varmeoverføringselement utgjøres ved denne utførelsesform av ringformete kobberskiver 10, lagt den ene på den andre med jevne mellomrom, som be-stemmes av avstandskanter 11, 12 utbøyet i platene slik at i hvert annet mellomrom mellom platene dannes en spiralformet kanal 14 for varmeopptagende vann, forbruksvann, og i hvert annet radielle kanaler 15 for det varmegivende vann, akkumulatorvannet. Ledninger 16, 17 fra til-koblingene 7 resp. 8 er i forbindelse med de førnevnte kanaler 14 slik som det fremgår av fig 2, og det ringformete rum i sy-linderen 5 gjennom kanalene 15 i forbindelse med det sentrale rom i batteriet og med røret 3. Skivene 10 holdes sammen av jernplater 18. Batteriet gjennomstrømmes i hele sin høyde mellom disse jernplater av varmeavgivende og varme-mottagende vann. Det skal bemerkes at sylinderens 5 fri kant rekker et stykke over batteriets innløp. Med 19 betegnes et luftavløp og og med 20 plass for filter.

Varmtvannsberederen arbeider på føl-gende måte: Ved tapping av varmt vann strømmer kaldt vann gjennom tilkoblingen .7, passerer rundt inne i batteriet 2, oppvarmes og strømmer ut gjennom tilkoblingen 8. Den varmemengde, som tilføres forbruksvannet tås fra det omkring batteriet anordnete og gjennom batteriet passerende akkumulator-vann og resulterer i en nedkjøling av vannet ved sugerørets innløp. Det avkjølte vann er tyngre enn det omgivende vann og søker nedover i sugetrakten. Når sugetrakten på denne måte får vann, som er kaldere enn akkumulatorvannet forøvrig, suger dette varmt vann gjennom batteriet, som således stadig tilføres nytt varmt vann. Jo større mengde varmt vann som tappes fra batteriet, desto større blir nedkjølingen av det vann som tilføres sugetrakten, hvilket med andre ord betyr at vannet i sugetrakten blir tyngre. Herved øker også driv-kraften og dermed hastigheten av det akkumulatorvann som strømmer gjennom batteriet.

Ved kraftige tappinger, momentane toppbelastninger, blir den vannmengde som strømmer gjennom sugetrakten betydelig større enn den varmemengde som via tilkoblingen 4 tilføres akkumulatoren fra varmeledningsnettet. Vannet fra røret stiger da opp i akkumulatoren utenfor rø-ret, hvilket igjen medfører at varmt akkumulatorvann strømmer over platesylinderen til batteriet. Akkumulatoren utlades.

Ved små tappevirkninger blir vann-mengden gjennom sugetrakten mindre enn den fra nettet tilførte på grunn av at vannet som følge av den minskete nedkjøling blir lettere. Herved strømmer da en del av vannet fra varmeledningsnettet over plate-sylinderens overkant og trykker varmt vann ned i akkumulatoren. Akkumulatoren lades.

Ved perioder med liten tappe-effekt, når vannet som forlater trakten er varmere enn vannet i akkumulatorens bunn, søker dette varmere vann oppover langs traktens ytterside og trykker kaldere vann fra akkumulatoren gjennom tilkoblingen 6. Dette forhold innvirker gunstig da det, fra akkumulatoren utgående vann holdes ved forholdsvis konstant temperatur og som dessuten i middeltall er lavere enn temperatu-ren av det vann som forlater trakten. Her-med tilveiebringes således en viss separe-ring, slik at vannet i akkumulatoren har en forholdsvis høy temperatur.

Som før nevnt vil man ha så lav temperatur som mulig på vannet- fra akkumulatoren. Herved oppnås små rørled-ningsdimehsjoner og små isolasjonstap og dessuten oppnås, hvilket er av spesiell be-tydning for kraftvarmeverk, at kraftpro-duksjonen blir mere økonomisk.

For å hindre at vannet forlater akkumulatoren med for høy temperatur, kan der innsettes en termostatstyrt ventil i led-ningen til tilkoblingen 6. For at en slik ventil ikke skal forsinke tilførslen av kjelevann kan returtilkoblingen 6 flyttes et stykke opp på akkumulatorens mantel. Herved får man fra foregående tapning alltid igjen en liten mengde kaldt vann, hvilket også ved mindre tapninger påvirker termo-staten og dermed raskt starter opplad-ningsforløpet. Dessuten medfører den opp-flyttede tilkobling den fordel at tempe-raturvariasjonene blir mindre derved at det utgående vann ikke får de høyeste eller de laveste temperaturer som forekommer i traktens utløp.

Ved slike anlegg, hvor der forekommer lange stillstandsperioder i forbruket av varmt vann kan der for å hindre at akkumulatoren som følge av isolasjonstap kjøles for meget, foretas den anordning at den termostatstyrte ventil utføres med en lekasje, bestemt til å kompensere slike tap.

I det følgende skal utførelsesformen efter fig. 4—6 beskrives. Akkumulator-beholderen er på disse figurer 4—6 sløyfet.

Batteriets varmeutvekslingsflater (var-meflater) er her forlagt til flate kobberrør-viklinger i form av spiraler 2 c, den ene over den annen, som holdes fra hverandre av avstandstråder eller remser 2 d og er innsatt mellom plater 18. Med 16 betegnes fordelingsrøret, med 17 samlingsrøret og med 3 sugerøret, samt med 5 den sylindriske avskjermning, hvis funksjoner er nærmere beskrevet i tilslutning til den førstnevnte utførelsesform. Med 7 og 8 betegnes til-koblingsendene for resp. fordelings- og samlerør. Avstandstrådene 2 d er som det ses, skråttstillet. Denne skråstilling er fore-tatt for å holde vannets hastighet oppe og dermed også vannmotstanden. Fig. 6 viser to rørviklinger 2 c fra siden. Man ser på denne figur hvorledes de holdes adskilt av trådene eller strimlene 2 d. For at disses evne til å styre vannet skal være god, bør de trykkes inn i kobberrør-vindingene noen tiendedels millimeter. I batteriet er hverannen vikling dreiet til den ene siden og hverannen til den andre siden for at be-festigelsen i fordelingsresp. samlingsrørene skal kunne utføres uten altfor stort besvær. På fig. 4 er vist en hel vikling 2 c, og en annen bare ved innfestingsstedet; den mel-lomliggende viklings-spiral er skåret bort.

Hvis viklingene ligger for tett blir

varmeoverføringstallet lavt. Forklaringen

på dette er at avstanden mellom kanalveggene ikke er konstant som følge av at

kanalene er oppbygget av rør med ovalt

tverrsnitt. Hvis rørene ligger tett, varierer

avstanden mellom kanalveggene innenfor

vide grenser, hvilket medfører at k-verdien,

regnet for den totale varmeflate, blir lavere

enn hvis rørene ikke ligger så tett. Når forholdet mellom den minste avstand og den

midlere avstand er litet, varierer vann-hastigheten meget mellom rørene. Da vannmotstanden varierer med kvadratet av

hastigheten, blir det bare en høy motstand

langs en liten del av veggflaten. Selv om

k-verdien blir høy langs denne begrensete

del av veggflaten, blir den midlere k-verdi,

beregnet for den totale veggflate, forholdsvis lav. Foråt batterier for store varme-mengder, ved hvilke hullet 21 i viklingens

midte må være forholdsvis stort, skal få til-strekkelig høy motstand, må man dele

batteriet i grupper, som kobles i serier på

den måte som fremgår av fig. 5, som viser

en utførelsesform av et slikt seriekoblet

batteri. Man ser at samlingsrøret 17 i den

nedre gruppe er forbundet med fordelings-røret 16 i den øvre gruppe. I visse tilfelle

kan man seriekoble flere enn to grupper,

i andre tilfelle nøyer man seg med bare én

gruppe. Det ligger i sakens natur at batteriets proporsjoner er avgjørende for om den

ovenfor beskrevne akkumulator rekker å

lade seg mellom belastningstoppene i be-gynnelsen av badeperioden.

Claims (5)

1. Varmeutveksler ved hvilken strøm-ningsveien for det varmeopptagende

   medium, fortrinnsvis forbruksvann, er vesentlig lengere enn strømningsveien for det varmeavgivende medium, fortrinnsvis magasinvann, karakterisert ved spiralkanaler (14, 2 c) anordnet i en stabel i liten avstand fra hverandre, mellom hvilke der er anordnet i det vesentligste radielle gjen-nomstrømningskanaler (15, 2 d) som forbinder et fordelingskammer (5) som omgir stablene, og et i midten av stablene værende samlingskammer (3, 21) hvorunder rør-tilkoblinger (16, 17) er anordnet i varmeutveksleren (2) for å oppnå innbyrdes mot-strøm av mediene.
2. 2. Varmeutveksler som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at hver spiral-kanal (14, 2 c) har en munning ved omkretsen og en ved midten og at samtlige munninger ved omkretsen og samtlige munninger ved midten er koblet til en hovedledning (16, 17) for hver gruppe, hvilke hovedledninger danner fordelings-og samleledninger for spiralkanalene.
3. 3. Varmeutveksler som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at spiralkanalene (2 c) består av utflatete-kobber-rørviklin-ger, som holdes fra hverandre av distanse-tråder eller -strimler (2 d) som hensikts-messig er trykket noe inn i rørviklingene.
4. 4. Varmeutveksler som angitt i de for-anstående påstander, karakterisert ved at spiralkanalene (2 c) er ordnet i grupper som er seriekoblet på den måte at samle-rørene for den ene gruppe er forbundet med fordelingsrørene for den neste gruppe.
5. 5. Varmeutveksler som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at rørtilkoblin-gene (16, 17) er slik anordnet at det medium som passerer gjennom dem, passerer innen-fra og utover gjennom spiralkanalene.